CN111299582A - 一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置 - Google Patents

一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置 Download PDF

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吴金红
胡杰翔
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Abstract

本申请公开了一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，属于金属增材制造技术领域。本申请根据楞次定律和霍尔效应原理，液态导电金属在磁场中流动过程中会产生电磁力，这种力对熔池的流动行为有重要影响，从而抑制成形件的冶金缺陷。本发明包括励磁装置、磁场测量装置和磁场控制装置，所述励磁装置包括线圈和铁芯，所述铁芯置于线圈内部；所述磁场测量装置由四个磁场传感器构成，分布于工作平台四角，用于测量成形区域的磁场强度；所述磁场控制装置通过调节线圈中的电流实现对磁场强度和方向的控制。此发明装置具有结构简单，调节方便，成本低，易于装配于现有的金属粉末激光选区熔化设备等优点，能够有效抑制成形件的冶金缺陷。

Description

一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，更具体地，涉及一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置。
背景技术
增材制造又称快速成形或3D打印，它是一种以数字模型文件为基础，运用液体、粉末、丝等形式的材料，通过逐层堆叠累积的方式来制造实体零件的技术。常见的增材制造技术有熔融沉积成形(FDM)、光固化(SLA)、激光选区熔化(SLM)等。其中，SLM因具有成形材料范围广、成形件力学性能优异(优于同种材质的锻件)、致密度高、成形零件精度高等优点成为实用意义最大的金属增材制造技术，在国内外得到广泛的研究。然而，目前金属粉末选择性激光熔化技术仍面临着一系列挑战，如制造效率低、成形件表面粗糙和易产生球化、孔隙、裂纹等冶金缺陷等。其中，空隙、裂纹和表面光洁度差是金属粉末选择性激光熔化技术的主要缺陷，上述问题使成形零件很难直接应用到实际工程中，更难以成为功能性构件，严重阻碍了该技术的进一步发展。
SLM成形件中的粗糙表面、孔隙、裂纹、球化等冶金缺陷与熔池流动和凝固过程密切相关。主要原因有两点，原因一，马兰戈尼效应，即在SLM成形件过程中，熔池中心和边缘区域间的温度梯度导致液态金属从熔池中心向边缘流动，造成液态金属流动，引起温度场分布不均匀，造成应力集中，产生裂纹；原因二，在SLM成形件过程中，熔池中的金属粒子运动使液态金属形成飞溅，飞溅液滴落到凝固表面上会形成金属小颗粒，影响下一层的铺粉和熔凝，导致成形件内部产生空隙缺陷，这些缺陷会严重降低成形件的精度和力学性能。目前，针对原因一的马兰戈尼效应可以采用对熔池中进行加热，使得熔池内部温度分布均匀来克服，但是对于原因二造成的SLM成形缺陷还没有较好的方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其目的在于通过在SLM成形过程中添加垂直于成型面的磁场，使熔池中流动的液态金属与磁场作用产生与运动方向相反的电磁力，从而抑制熔池中的金属粒子剧烈波动，减少飞溅，由此提高SLM成形件的质量。
为实现上述目的，本发明提供了一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，所述装置包括励磁装置、磁场测量装置以及磁场控制装置；
所述励磁装置包括线圈和铁芯；
所述铁芯置于工作平台底部，成形零件的正下方；
所述线圈缠绕于所述铁芯的圆柱面上，用于输入直流电后产生方向垂直于成形面的磁场；
所述磁场测量装置安装于工作平台上方，用于实时测量成形区域的磁场强度；
所述磁场控制装置用于实时获取磁场测量装置测得的磁场强度，并根据所述磁场强度调节输入至线圈的直流电。
所述磁场测量装置由四个磁场传感器组成，所述四个磁场传感器分布于工作平台的四角。
所述励磁装置还包括直流电源，所述直流电源一端连接线圈，另一端连接所述磁场控制装置，所述磁场控制装置根据获取的磁场强度控制直流电源调节输入到线圈的直流电。
所述铁芯的一端和工作平台下表面接触，通过工作平台下表面的开槽进行定位安装。
所述铁芯的截面与成形件的轮廓尺寸相同，以使成形区域磁场均匀。
所述线圈由铜制漆包线制成，所述铁芯用坡莫合金制成，用于在满足磁场要求的同时减少产热。
所述励磁装置用于产生10Gs-10000 Gs磁场。
所述线圈直径为1.5mm，扎数为530匝，总电阻为0.9Ω。
所述磁场传感器紧靠工作平台安装，安装高度与工作台初始打印位置相同。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本申请装置通过在SLM成形过程中添加垂直于成型面的均匀恒定磁场，使熔池中流动的液态金属与恒定磁场作用下产生与运动方向相反的电磁力，从而抑制熔池中的金属粒子剧烈波动，减少飞溅，抑制成型件的缺陷，提高SLM成形件的质量；
(2)本申请装置结构简单，无需对现有的SLM成形设备进行改装，可以直接在现有的SLM成形设备上安装，以达到SLM成形设备缺陷抑制的效果，可以极大的降低现有设备的升级成本；
(3)本申请装置可通过检测+控制的方式获得不同量级的均匀恒定磁场，且调节方式简单，可以适应不同的SLM成型零件的需求；
(4)本申请装置既可以在成型面产生均匀恒定的磁场，同时产生较小的热量，在抑制熔池中的金属粒子剧烈运动造成的飞溅的同时，尽可能的降低了热量对熔池的影响，实现了提高SLM成形件的质量的目的。
附图说明
图1是本发明装置实施例的使用状态的示意图；
在附图中：1-送粉缸活塞，2-铜制线圈，3-铁芯，4-工作平台，5-电源，6-磁场控制器，7-成形零件，8-粉层，9-磁场传感器，10-铺粉刮片，11-送粉缸。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，是本申请实施例安装在SLM成形设备上的结构示意图；
SLM成形设备包括1送粉缸活塞、4工作平台、7成形零件、8粉层、10铺粉刮片和11送粉缸；
本申请实施例包括励磁装置、磁场测量装置和磁场控制装置；其中，励磁装置包括2铜制线圈、3铁芯和5电源；磁场测量装置包括4个9磁场传感器；磁场控制装置为6磁场控制器。
本申请实施例结构简单，无需对SLM成形设备进行改造，直接安装在SLM成形设备上，具体安装和工作方式如下：
所述电源5与铜制线圈2连接，根据需要提供直流电流，以产生均匀恒定的磁场，所述铁芯3置于铜制线圈内部，与铜制线圈2同轴，用于增强磁场，所述铁芯3和铜制线圈置于所述工作平台4底部，铁芯3的一端和工作平台4下表面紧密接触；所述铁芯用导磁率很弱的坡莫合金制成，所述线圈用标称直径为1.5mm的铜制漆包线制成，以在产生均匀恒定磁场的同时降低产生的热量；
所述磁场传感器9用于测量所述成形零件7区域的磁场大小，所述磁场传感器9有四个，分别置于工作平台4上部四个角，为不影响铺粉，其上表面和粉层8上表面平行，所述磁场传感器9与所述磁场控制器6连接，将测得的磁场强度值传送给磁场控制器6；
所述磁场控制装置包括磁场控制器6，分别与磁场传感器9和电源5连接，磁场控制器6接收到磁场传感器9测量的磁感应强度值后，根据需要，向电源发出指令，调节励磁电流大小，使产生的恒定磁场值处于所需的磁场大小值误差允许范围内，这样便可使得当前成形零件7的粉层8处的磁场满足需要，从而抑制SLM成形件制造过程的冶金缺陷；
本发明装置基于楞次定律和霍尔效应原理，通过外加均匀恒定磁场影响金属粉末激光选区熔化过程，使得熔池中流动的液态金属粒子与均匀恒定磁场作用产生与运动方向相反的电磁力，从而抑制熔池金属粒子剧烈波动，减少飞溅。
以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述装置包括励磁装置、磁场测量装置以及磁场控制装置；
所述励磁装置包括线圈(2)和铁芯(3)；
所述铁芯(3)置于工作平台(4)底部，成形零件(7)的正下方；
所述线圈(2)缠绕于所述铁芯(3)的圆柱面上，用于输入直流电后产生方向垂直于成形面的均匀恒定磁场；
所述磁场测量装置安装于工作平台(4)上方，用于实时测量成形区域的磁场强度；
所述磁场控制装置用于实时获取磁场测量装置测得的磁场强度，并根据所述磁场强度调节输入至线圈(2)的直流电。
2.根据权利要求1所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述磁场测量装置由四个磁场传感器(9)组成，所述四个磁场传感器(9)分布于工作平台(4)的四角。
3.根据权利要求1所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述励磁装置还包括直流电源(5)，所述直流电源(5)的一端连接线圈(2)，另一端连接所述磁场控制装置，所述磁场控制装置根据获取的磁场强度控制直流电源(5)调节输入到线圈(2)的直流电。
4.根据权利要求1所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述铁芯(3)的一端和工作平台(4)下表面接触，通过工作平台(4)下表面的开槽进行定位安装。
5.根据权利要求4所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述铁芯(3)的截面与成形件的轮廓尺寸相同，以使成形区域磁场均匀。
6.根据权利要求5所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述线圈(2)由铜制漆包线制成，所述铁芯(3)用坡莫合金制成，用于在满足磁场要求的同时减少产热。
7.根据权利要求6所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述励磁装置用于产生10Gs-10000 Gs之间的均匀恒定磁场。
8.根据权利要求6所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述线圈(2)直径为1.5mm，扎数为530匝，总电阻为0.9Ω。
9.根据权利要求2所述的一种金属粉末激光选区熔化缺陷抑制装置，其特征在于，所述磁场传感器紧靠工作平台(4)安装，安装高度与工作台初始打印位置相同。
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